The effect of olivine in the tropical coral Montipora digitata: toxicological assessment and resilience to thermal stress

Abstract

The future of coral reefs is already being shaped by the resilience, or lack of it, of different species to climate change. Corals are currently undergoing a major ecological threat as result of ocean warming and acidification and anthropogenic activities. Marine protected areas and reduced carbon emissions are certainly relevant although likely insufficient to preserve this ecosystem. Therefore, additional conservation strategies are required. Olivine weathering, proposed as a CO2 removal strategy, is expected to increase seawater alkalinity while consuming CO2 from the atmosphere. Although verified the potential of increase pH values and alkalinity, the impact on marine organisms and ecosystem is still to be understood. Our study aimed to evaluate olivine exposure effects on tropical coral Montipora digitata, assessing molecular biomarkers of oxidative stress and damage and metabolic profiles, as well as photosynthetic efficiency, coral growth, pH and dissolved oxygen variations. Firstly, our study assessed sub-lethal effects of different olivine concentrations, 6.00, 9.00, 13.50, 20.25, 30.38, 45.56, 68.35 and 102.5 mg L-1 under an acute experiment of 96h. Primary results did not show a general dose-response tendency, although photosynthetic efficiency was impaired for increasing concentrations. HSP70 levels and protein content decreased for higher concentrations, while lipid content showed higher values as well as pH and DO. A second experiment was performed assessing chronic exposure effects on M. digitata to a concentration of 20.25 mg L-1 of olivine sand, of which we can conclude that a long-term exposure to olivine facilitates M. digitata relative growth and photosynthetic efficiency as well as significantly higher pH values. M. digitata experienced moderate oxidative stress efficiently tackled by antioxidant enzymes and a higher relative growth rate through the expense of tissue lipid content, but no additional energy demands to maintain defence mechanisms or metabolic activity. Additionally, coral macrostructures were not affected by olivine exposure. The final stage of this study aimed to assess biological responses of the coral M. digitata to increase temperature (30 ºC) for 24h, while exposed to 20.25 mg L-1 of olivine sand. Besides, we evaluated if previous olivine exposure enhances coral resilience to rising temperatures. Overall, biological response of M. digitata, associated with antioxidant pathways and cellular energy allocation and consumption was not indicative of induced thermal stress. Photosynthetic efficiency exhibited significantly higher values when exposed to olivine at 30 ºC, although being impaired in both treatments at the higher temperature. Therefore, we cannot conclude that olivine exposure enhances resilience mechanisms in the coral M. digitata whilst abnormal temperatures.

O futuro dos recifes de coral está a ser moldado pela resiliência, ou falta dela, de diferentes espécies às alterações climáticas. Os corais são organismos marinhos sob uma grande ameaça ecológica como resultado do aquecimento e acidificação dos oceanos e das atividades antropogénicas. As áreas marinhas protegidas e a redução das emissões de carbono são certamente relevantes, embora provavelmente insuficientes para a preservação deste ecossistema. Assim, estratégias adicionais de conservação são necessárias. A desagregação de minerais como a olivina, proposta como uma estratégia de remoção de CO2, tem o potencial de aumentar a alcalinidade da água do mar enquanto consome CO2 da atmosfera. Embora verificado o potencial do aumento de valores de pH e alcalinidade, o impacte em organismos marinhos e no seu ecossistema, ainda não foi avaliado. O presente estudo teve como objetivo avaliar, pela primeira vez, os efeitos da exposição do mineral olivina no coral tropical Montipora digitata, avaliando biomarcadores moleculares de stresse e dano oxidativo e perfis metabólicos, bem como a eficiência fotossintética, crescimento do coral e variações de pH. Em primeiro lugar, o nosso estudo avaliou os efeitos sub-letais de diferentes concentrações de olivina, 6,00, 9,00, 13,50, 20,25, 30,38, 45,56, 68,35 e 102,5 mg L-1 durante uma exposição aguda de 96 h. Os resultados inicias não revelaram tendência geral de concentração-resposta, embora a eficiência fotossintética tenha sido menor em concentrações crescentes. Os níveis de HSP70 e o teor de proteína diminuíram em concentrações mais elevadas, enquanto o teor de lípidos apresentou valores superiores, assim como o pH e o oxigénio dissolvido. Um segundo ensaio foi realizado avaliando os efeitos da exposição crónica no coral M. digitata a uma concentração de 20,25 mg L-1 de olivina, do qual podemos concluir que a exposição prolongada a olivina facilitou o crescimento relativo de M. digitata e a sua eficiência fotossintética, contribuindo também para a manutenção de valores de pH significativamente mais elevados. M. digitata demonstrou stresse oxidativo moderado, eficientemente combatido pelas defesas antioxidantes, assim como uma maior taxa de crescimento relativo por intermédio de um consumo do conteúdo lipídico do tecido do coral, apesar de não demonstrar necessidade adicional de energia para manter os mecanismos de defesa ou atividade metabólica. Adicionalmente, as macroestruturas dos corais não foram afetadas pela exposição a olivina. A etapa final deste estudo teve como objetivo avaliar as respostas biológicas do coral M. digitata ao aumento da temperatura (30 ºC) em 24h, quando exposto a 20,25 mg L-1 de olivina. Além disso, avaliamos se a exposição anterior à olivina aumenta a resiliência dos corais ao aumento da temperatura. No geral, a resposta biológica de M. digitata, associada às vias antioxidantes, alocação celular de energia e consumo energético não foi indicativa de indução de stresse térmico, do qual não podemos concluir que a exposição ao mineral olivina aumente os mecanismos de resiliência no coral M. digitata quando este experiencia temperaturas anormais.